Анализ методов сокращения пригара на стальном литье (стр. 5 из 16)

Во втором случае достигается полное окисление проникших прожилок металла, вследствие введения в формовочную смесь окислительных добавок [6].

Образующиеся окислы железа частично растворяются в силикате, а частично накапливаются на границе металла и пригарной корки. Благодаря повышенному содержанию окислов железа, силикат при затвердевании образует преимущественно кристаллическую фазу. При температуре ниже 560°С происходит распад фаялита в силикате на магнетит и железо, протекающий с увеличением объема—7, 15%. Кроме того, на поверхности раздела в слое окислов (преимущественно вюститном), в межзерновом пространстве, по микротрещинам и поверхности пор образуется магнетит. Указанные превращения дают начало микротрещинам в контактном слое. Этому способствует наличие в железистом силикате разнородных структур с преобладающим количеством кристаллических фаз. Благодаря усадочным процессам, возникшие микротрещины раскрываются и пригарная корка легко отделяется—либо самопроизвольно, либо под действием небольших дополнительных усилий. В этом случае наблюдается чистая поверхность, которая воспринимается как металлическая. Только в отдельных местах обнаруживаются остатки силикатов, отторженные частички кварцевых зерен пли отдельные песчинки.

Как уже было сказано, можно ожидать облегчения отделения поверхности отливки от поверхности формы при увеличении толщины пригарного слоя. При обдувании пригоревшей корки окислительным пламенем газовой горелки происходит не только увеличение толщины пригоревшего слоя, но и переход закиси железа FeO в окись Fе2O3, не вступающую в реакцию с кремнеземом. В результате ослабляются создавшиеся кристаллические связи, что вызывает отслаивание пригоревшей корки.

2.8. Смачиваемость

Образование механического пригара предотвращается еслиРкап увеличивается, если уменьшается радиус пор, величина которых тем меньше, чем тоньше структура наполнителя. Ркап уменьшается при уменьшении величины поверхностного натяжения металла и снижении краевого угла смачивания. При стальном литье увеличение температуры стали приводит к увеличению поверхностного натяжения. Поверхностное натяжение стали существенно снижается при увеличении содержания в ней углерода, фосфора, серы, кислорода, азота. Поэтому увеличение содержания этих компонентов в стали может приводить к увеличению механического пригара.

Величина краевого угла смачивания зависит от ряда факторов: типа сплава, степени его окисленности, продолжительности контакта жидкой и твердой фаз, размера зерен формовочных смесей и др.

Из результатов экспериментальных исследований, проведенных И. В. Валисовским [4,2,13], отметим установленную зависимость степени смачивания от химического состава поверхностных слоев жидкого металла и формы. Чем больше химический потенциал реакций, протекающих на поверхности раздела металл-форма, тем меньше краевой угол смачивания.

Поэтому увеличение степени окисленности стали резко уменьшает краевой угол смачивания при изготовлении форм из кварцевого песка (рис.5) и значительно в меньшей мере при изготовлении форм из хромомагнезита или хромистого железняка (рис.5)[2].

Влияние размера зерен песка на условия смачивания зависит от контакта металла с поверхностью зерен и с газом, находящимся в порах смеси. Установлено, что при отрицательном смачивании (cos θ<0) независимо от газовой среды увеличение размера зерен приводит к значительному увеличению смачивания. При положительном смачивании (cos θ > 0) изменение размера зерен не влечет за собой изменения краевого угла смачивания.

Повышение температуры металла в пределах до 100°С над ликвидусом не изменяет величины краевого угла смачивания.

Эти и другие примеры свидетельствуют о том, что создание в форме нейтральной и восстановительной среды является благоприятным в ряде случаев стальных отливок, если поверхностные покрытия формы не науглероживают поверхности стальных отливок.

И. В. Валисовский, И. Б. Куманин и А. М. Лясс [9,4] изучали влияние различных крепителей на значение краевого угла смачивания формовочной смеси армко-железом. Опыты показали, что в условиях слабо окислительной атмосферы, т. е. в условиях близких к реальным, крепители ведут себя по-разному (табл.9). В смесях с крепителями органического происхождения, например с льняным маслом, образуется малый краевой угол смачивания (50°). Это объясняется науглероживанием металла, приводящим к возрастанию его жидкотекучести. При использовании смеси кварцевого песка с 6% жидкого стекла получается высокое значение краевого угла (106°), что объясняется малой пористостью этой смеси. Последнее является одной из причин, препятствующих проникновению металла в поры формовочной смеси.

На смачиваемость формовочных материалов расплавленным металлом и связанное с этим механическое проникновение металла в стенки формы оказывает влияние и характер газовой атмосферы в литейной форме. В условиях окислительной атмосферы, создаваемой углекислым газом, наименьший угол смачивания (52°) наблюдается на кислом материале (кварцевый песок), наибольший (90°)-на основном материале (магнезит) (табл.9).

В слабо окислительной атмосфере все формовочные смеси на кварцевой основе смачивались металлом, а основные формовочные материалы не смачивались (табл.9), причем по сравнению с окислительной атмосферой значения краевых углов возросли.

В нейтральной и восстановительной атмосферах отсутствует взаимодействие между жидким железом и формовочным материалом. Поэтому краевой угол армко-железа на формовочных смесях резко возрастает, и смачивание становится отрицательным. Данные но смачиваемости различных формовочных материалов в нейтральной атмосфере приведены в табл.9.

При переходе от слабо окислительной атмосферы к нейтральной несколько возрастает смачиваемость хромистого железняка армко-железом. Это объясняется восстановлением окиси железа, входящей в состав хромистого железняка, железом с образованием закиси железа. Образующаяся закись железа растворяется в жидком металле, и сродство жидкого металла с хромистым железняком увеличивается. Образование и растворение закиси железа в жидком металле при применении хромистого железняка подтверждается фактом повышенного содержания кислорода в металле после проведения опыта.

Так, при применении кварцевого песка армко-железо после проведения опыта содержало 0, 0128% кислорода, при применении хромистого железняка содержание кислорода в металле возрастало почти в 4 раза (0, 042%). Процесс растворения закиси железа в металле, хотя и в несколько более слабой степени, протекает и при смачивании армко-железом хромомагнезита.

Из данных работы И. В. Валиссовского и др.[13,4] вытекает, что для уменьшения смачиваемости формы жидким металлом и предотвращения механического проникновения металла в поры песчаной формовочной смеси следует создавать в литейной форме условия, исключающие окисление жидкого металла. Практически это может быть достигнуто введениемвформовочную смесь углеродистых противопригарных добавок (каменноугольной пыли, мазута, сланцевой смолы, древесных опилок и т. д.).

Таблица9

Смачиваемость формовочных материалов металлом

Смесь	Состав,	Смачиваемость в момент расплавления
		В слабо окислительной атмосфере	в нейтральной атмосфере	В окислительной атмосфере
		θ град.	θ град	θ град
Кварцевый песок Сульфитная барда	98 2	68	119	-
Кварцевый песок	100	83	111	52
Маршалит	100	90	105	90
Хромистый железняк	100	93	81	-
Хромомагнезит	100	101	102	63
Кварцевый песок Жидкое стекло	94 6	106	118	-
Кварцевый песок Льняное масло	98 2	50	131	-
Магнезит	100	107	113	90

При применении формовочных смесей на основе хромомагнезита, хромистого железняка и магнезита отпадает необходимость создания восстановительной атмосферы в форме, так как в этом случае краевой угол смачивания в условиях окислительной атмосферы практически не меняется.

Рис.5 Влияние содержания кислорода в железе на краевой угол.

Таким образом, применять хромомагнезит и хромистый железняк особенно эффективно при наличии в форме окислительной среды.

В случае нейтральной или восстановительной среды вполне удовлетворительные результаты дает использование кварцевых песков.

2.9. Влияние состава формовочной смеси

Возможность формирования легкоотделимого пригара за счет изменения состава сплава и температуры заливки весьма ограничено.

Управлять процессами образования химического пригара можно лишь изменяя состав формовочной смеси[4]. Необходимо учитывать, что первоначальные формовочные материалы выбирают из условий предотвращения образования металлизированного пригара.

Влияние литейной формы и ее материалов проявляется в той степени, в какой они способствуют образованию и сохранению окисной пленки требуемой структуры на границе раздела металл- форма.

При контакте жидкого железа с хромомагнезитом и, особенно с хромистым железняком насыщенность железа O2резко возрастает.